本发明专利技术涉及一种新型电池，其解决了现有可充电电池成本高、比能量低、寿命短、污染重的技术问题，其包括电池正极、电池负极、电解液和隔膜，电池正极为二氧化锰/聚苯胺/碳三元复合材料，电解液为弱酸性电解液，本发明专利技术可广泛应用于电池领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种充放电装置，特别是涉及一种成本低、比能量高、寿命长的新型电池。
技术介绍
二氧化锰应用于干电池的研究已经有150多年的历史了，最早在1860年，法国的George Leclanche专利技术了碳锌电池，随后陆续发展了传统的氯化铵型锌/ 二氧化锰电池，高能氯化锌型锌/ 二氧化锰电池和碱性锌/ 二氧化锰电池，然而这些都是一次性电池。虽然单个电池成本很低，但由于不能充放电和循环利用，按照能量成本计算，使用成本还是比较高的，而且目前一次性电池回收还是比较困难的，废弃电池不可避免地会对环境造成污染。锌/ 二氧化锰电池是一次电池，比能量高，目前已经商品化的碱性锌锰电池可以 达到llOwh/kg，氯化锌型电池长时间放电也能达到90wh/kg，但是一次电池无法循环利用。为了减少二氧化锰消耗和降低环境污染，一次电池向二次电池的转变是电池工业发展的必然趋势。目前传统的二次电池主要有铅酸蓄电池，镍镉蓄电池，镍氢蓄电池和锂离子蓄电池，这四种电池的各项性能比较如表I所示。表I各种电池的性能比较J池名~I质髴 比能-量IJ环寿I 色|￡格比能I自放电~环保性称电压命效应量I IAI 铅酸蓄25 200 f 0.7 1.0 8 10%/ 错和硫酸 电池 Z30wh/kg 250元/wh月污染镍镉蓄40 3002.2 2.6 12 镍、镉和碱 电池 1 一45wh/kg 400元/wh 15%/月污染 镍氢蓄 12V 60 300 尤 2.8 3.2 20 镍和碱污 电池65wh/kg 350元/wh 2 5%/月染锂离子180 500 + 2.5 2.7 3 5%/ 有机溶剂 蓄电池200wh/kg 600元/wh月污染由表I可知，四种二次电池各有优缺点，铅酸蓄电池最便宜，但是循环寿命最短，污染也比较严重，价格比能量最低；镍氢蓄电池和镍镉蓄电池价格比能量比铅酸蓄电池高一倍，寿命也长，但是污染严重，尤其镍镉蓄电池，因为镉离子是剧毒的金属离子；锂离子蓄电池的各项性能都比较好，质量比能量非常高，寿命也最长，价格也比较高，但是由于其采用有机溶剂电解液，安全性较差，尤其是大电池。在这种情况下，研发一种低成本、高比能量、循环寿命长的二次电池是非常有意义的。可充锌锰电池主要有两种，一种是可充碱性锌锰电池，另一种是弱酸性锌锰电池，目前几乎所有的研究都集中在可充碱性锌锰电池上。大量的研究表明碱性条件下，MnOx在放电过程中，X由2逐渐变小，当X>1. 75时，MnOx具有良好的可逆性；当I. 75>x>l. 5时，电池可逆性变差；当x〈l. 5时，电池可逆性很差。这就意味着，MnOx的放电克容量小于ISOmAhg-1,电池才具有较好的可逆性，这就极大的限制了 MnOx的可用容量。碱性条件下MnO2的标准电极电势为0. 73V VS SHE，金属锌的标准电极电势-I. 199V vs SHE，这说明理想的碱性Zn-MnO2电池的电压应该为2V左右，然而实际过程MnOx中的x往往小于2，且电解液KOH浓度很高，导致电池开路电压仅仅为1.7V左右。根据上述数据，这就要求碱性电池在充电时，电压必须高于I. 7V才能够使得x>l. 75，从而保证电池的可逆性，然而水的分解电压为I. 23V，即使考虑析氢析氧过电位，水的分解电压也不过I. 6V左右，这就意味着，碱性锌锰电池在充电时不可避免的导致电解液中水的分解。同时，有文献研究表明，当电池充电电压大于I. 8V时，MnO2将会被进一步氧化为锰酸根，锰酸根溶解于电解液K0H，一方面导致隔膜被锰酸根氧化而破坏，另一方面锰酸根扩散至负极，氧化金属锌，导致电池严重的自放 电。这就造成了充电电压太低，MnOx中X不能被氧化至x=2，电池可逆性差；而充电电压太高，则导致隔膜破损和电池严重自放电的后果。综上所述，对于碱锰二次电池，主要存在循环寿命短、性能稳定性差等缺点，同时，使用条件苛刻，即不能过放电，也不能过充电。对于负极金属锌而言，锌在碱液中的可逆性已经被证明是可行的。但是，由于充放电过程中，电解液中锌酸根的浓度非常低，而锌酸根又是易放电还原离子，这就导致充电过程中，锌酸根不可避免的出现浓差扩散效应，尤其是充电后期，负极表面氧化锌几乎消耗殆尽时，由于扩散作用的存在，锌酸根将会形成尖端放电还原，形成枝晶。由正负极电力线分布可知，枝晶的生长方向是由负极往正极方向生长，随着枝晶数量增加，很可能穿透隔膜形成电池内部短路导致电池报废。这也是限制碱性锌锰和镍锌电池循环寿命的原因。有文献研究表明，金属锌在大电流放电时，其表面将会形成的氧化锌钝化膜，当电流密度大于一定值时，将会导致金属锌的钝化而无法放电，这限制了碱性镍锌，锌锰和锌空气电池的应用范围。绝大部分的研究者通过增加金属锌的比表面积来解决此类问题，例如，在一次锌锰电池中采用锌粉浆作为负极，而镍锌和锌空电池将锌粉通过粘结剂或者粉末冶金的方法制成锌粉电极。这不可避免带来生产工艺的复杂性和繁琐性，而且对于二次电池，随着充放电的进行，锌粉不可能恢复到原来的结构，这就不可避免的导致锌粉脱落和晶粒长大问题，进而导致金属锌负极容量下降。上世纪70年代末80年代初，美国Kordesch等研究发现普通的电解二氧化锰在放电深度小于IOSmAhg4时可循环50 60次,但当达到ISAmAhg—1时，循环寿命降低到8 10次。因此研究可充MnO2电极的关键是改性MnO2电极的可塑性差问题。改性的方法是往MnO2中添加少量添加剂，例如加入含铋，银和钛的化合物。苏侯香等人在二氧化锰中掺入铋离子制备了 Bi-MnO2复合物，其初期容量可达ieOmAhg'然而50周期后，容量仅为6ImAhg'周军平研究表明化学二氧化锰的可充性优于电化学二氧化锰，掺杂Ti可大大提高化学二氧化猛的可充性，但是对放电容量没有改善。最近的Qian Wang研究表明，在二氧化猛中掺杂少量纳米Ag4Bi2O5能够大幅度提高二氧化锰的可充性，其容量可以达到10周期后仍然保持244mAhg' 100周期之后,剩下72mAhg' 120个周期后仅有51mAhg'而且Ag的价格昂贵难以大规模推广应用。值得注意的是，碱性锌锰电池的电解液往往是7 QmolL-1的KOH (强碱性)，这意味着，一旦电解液渗漏或者电池被废弃，其内部的电解液不可避免对环境造成污染，理论计算，IL的电解液，需要104t水才能够稀释至可以正常排放中性，(pH=6-8)。由于碱性锌锰电池充放电存在的种种问题，越来越多的研究者调整方向，开展了关于中性及弱酸性锌锰二次电池的研究。然而在酸性锌锰初期的研究中，尤其是早期的氯化铵型锌锰电池，却发现是不可充电的，即二氧化锰不具有氧化还原的可逆性，这也导致人们对可充电的酸性锌锰电池研究极少。随后，越来越多的研究表明酸性条件下二氧化锰是具有氧化还原可逆性的，其不可充电是因为氯化铵电池中存在的大量铵根离子导致。李伟善等人研究表明=MnO2在传统的氯化铵型锌锰电池中不可再充电是由于NH4+离子存在，导致放电过程中形成了难溶的氨络合盐，使其不可逆；而在不含NH4+的ZnCl2溶液中，MnO2电极具有良好的可充性，在没有副反应的充放电循环过程中，经100次循环后，MnO2的利本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种新型电池，其包括电池正极、电池负极、电解液和隔膜，其特征是所述电池正极为二氧化锰/聚苯胺/碳三元复合材料，所述电解液为弱酸性电解液。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：徐攀，韩家军，
申请(专利权)人：威海至圣电池科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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